基于地質預報的地鐵車站巖溶預注漿處理技術

楊 新

武漢城建集團 湖北 武漢 430022

1 工程概況

鳳凰山位于武漢市蔡甸區，處于三級階地上，其主要地層上部為⑩2層粉質黏土，其下為三疊系灰巖。在施工詳勘及補充勘察中，巖溶評定為中-強發育，見洞率達到90%，線巖溶率約4%，溶洞大小不一，且多呈串珠狀分布。大部分巖溶溶洞為半填充-填充狀態，內填充物為軟塑-硬塑狀黏性土夾碎石，部分為空洞，場區內溶洞的洞徑為0.5～7.2 m，平均洞徑1.9 m。該車站項目圍護結構采用鉆孔灌注樁，車站主體結構為雙跨雙層地下結構，鉆孔期間均有掉鉆及漏水現象。

為避免地鐵車站圍護結構及主體施工過程中因遇到溶洞發生埋鉆、掉鉆、鉆機傾覆、混凝土超灌、基底坍塌等工程事故，特采用地質雷達法[1-2]和表面波法[3]等探測手段對巖溶溶洞進行超前預測和預報，然后通過地質鉆探確定巖溶溶洞埋深和大小，最后對其進行注漿處理，使施工過程中不發生掉鉆、埋鉆現象[4-6]。

2 地質預報和預注漿處理技術的原理及適用范圍

2.1 技術原理

通過地質鉆探、地質雷達、表面波法和加密地質鉆探勘測，預先探測確定圍護結構底部和車站結構底板下巖溶溶洞埋深和大小，并將地質鉆孔作為注漿孔，采用袖閥管注漿對下覆溶洞進行注漿充填預處理。

2.2 技術特點

1）可較全面、準確地探測溶洞分布位置，確定溶洞大小。

2）巖溶注漿處理施工工藝可控性強，能夠較好地填充溶洞空隙，有效處理巖溶溶洞，避免圍護樁、主體結構底板施工過程中機械設備和工程質量問題。

3）施工方法簡單，操作簡便，施工速度快，成本低。

2.3 技術適用范圍

本工藝適用于巖溶地區地鐵車站、綜合管廊始發井、停車場等地下空間工程圍護結構及主體結構施工場地內下覆地層存在巖溶或土洞，且需要進行探測和處理的工程施工（圖1）。

圖1 巖溶溶洞探測和處理原理

3 施工工藝流程

3.1 施工工藝流程

其主要施工包括地質雷達探測溶洞發現異常，隨后采用地質鉆探判定巖溶埋深和洞徑，接著進行注漿處理，最后進行處理效果檢查，如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

3.2 地質雷達法探測巖溶

地質雷達法探測巖溶是一種采用超高頻窄脈沖電磁波探測地層中各介質分布的物探方法，其使用方法是利用發射天線向車站底面以下發射電磁波（中心頻率為10～2 500 MHz），電磁波在下方地層傳播的過程中，當經過電性差異不同的地層介質（如地下水、裂縫、溶洞等）時，會產生反射波信號，反射波由接收天線接收，地質雷達法探測原理如圖3所示。在對所探測數據進行處理和分析后，根據波形、場強、振幅和電磁波雙程走時等參數，便可得到布線剖面下方的相關地質信息和地層目標體內部結構特征等信息。

圖3 地質雷達探測示意

施工期間在開挖后的基底上采用地質雷達進行探測，每開挖一段（約20 m），在底板上采用地質雷達法測試一段。為了探明地鐵站下部灰巖是否存在溶洞，使用地質雷達探測時，將雷達天線貼于車站地面上并緩慢、連續地移動天線，進行發射和接收電磁波信號完成數據采集。根據地鐵站的具體情況，在探測過程中沿平行地鐵站水平方向布置縱向測線。數據采集過程中采樣時間窗控制為1 000 ns，疊加次數為32次/道，天線距為1.0～1.5 m，測點距為0.5 m×0.5 m方格網。地質雷達探測所得到的電磁波數據為原始資料，要通過計算機相關程序進行一系列編輯處理（如濾波、振幅調整和時間剖面輸出等），再根據波速進行深度（h）-時間（t）關系的相關計算，得到地質信息的相關解釋，通過數據處理得到雷達時間剖面圖像后，即可進行雷達圖像的分析解釋（解釋時深轉換選取黏土的電磁波波速為0.06 m/ns），典型掃描反射信號解譯如圖4所示。根據解譯結果，分析得到波動明顯區域呈線條狀分布為黏土層與灰巖的界面，而散亂集中分布則可能為溶洞，需要通過鉆探進行進一步驗證。若發現異常區域，應采用地質鉆探勘察查明異常區域是否存在溶洞，若有溶洞，應根據溶洞大小采用袖閥管注漿對溶洞進行注漿充填處理。

圖4 地質雷達掃描反射信號解譯

3.3 巖溶溶洞地質鉆探勘測

采用地質鉆探及取芯法探測圍護結構深度范圍內及圍護結構底一定深度范圍內的巖溶溶洞埋深及溶洞洞徑。車站支護樁部分按進入樁底以下完整灰巖3 m控制；車站立柱樁部分按進入樁底以下完整灰巖5 m控制；其他部分按進入完整灰巖3 m控制。采用全站儀進行測量放樣，確定鉆探勘測孔位，孔位偏差不得大于100 mm。為保證勘察數據數量和質量，必須按相關回次進尺長度規定進行鉆進、嚴格按相關標準制定采樣間隔，對破碎松散地層位采用鉆井液泥漿護壁、減少回次進尺長度和使用雙管鉆具取心等鉆進工藝。為獲取溶洞及其填充物的詳細地質資料，鉆探應達到下列要求：

1）確保100%取芯，鑒別巖土性質，確定其埋藏深度與厚度。所采取試樣需滿足各種土工試驗質量要求。

2）應采用回轉鉆進方法取樣，如遇到堅硬地層，不適用回轉鉆進時，可采用沖擊回轉方式鉆進。遇到卵石、漂石、碎石、塊石等類地層不適用回轉鉆進時，可采用振動回轉方式鉆進。對揭露溶洞的鉆孔應注意卡鉆、掉鉆、漏水等現象，并做好相關記錄。采用泥漿進行護壁，泥漿密度控制在1.05～1.20 g/cm3。

3）鉆進及灌注過程中應密切注意及記錄以下情況：

① 漏漿：孔內水位下降、井口鋼絲繩異常松動。

② 撈取渣樣分析：根據渣樣進行分析，看渣樣是否出現異常變化，如入巖后出現黏土等填充物情況。

③鉆進進尺速度：鉆進過程中，漏漿之前鉆進進尺發現異常，進尺較平時正常工作時快。

④ 鉆頭偏斜：鉆進過程中發現鉆頭、鋼絲繩偏離中心位置，初步確定出現斜坡巖、小溶洞或裂隙。

4）通過鉆探取出的巖芯樣本判別巖溶溶洞埋深及溶洞洞徑。取出巖芯后，應按照巖芯埋深由小到大排列，并進行記錄，排列完成后根據巖芯長度和鋼尺來測量確定巖溶埋深和溶洞洞徑高度，如圖5所示。

圖5 巖溶溶洞取芯及溶洞埋深、洞徑確定

3.4 溶洞注漿處理

巖溶溶洞勘察中揭露的所有溶洞均采用袖閥管注漿方法進行處理。溶洞注漿處理基本流程為：根據巖溶專項勘察期間的鉆孔資料進行巖溶發育情況統計→統計整理，溶洞分類→根據不同溶洞類型布置注漿孔（圖6）→采取相應處理措施。

圖6 鉆孔布置平面

1）對于鉆孔揭示高度≤1 m的巖溶洞穴，若樁底到巖溶洞穴的距離小于1 m，設置揭露巖溶洞穴的勘察鉆孔為注漿孔，如圖6（a）所示，不另行增加注漿孔。

2）對于高度為1～3 m的溶洞，應環繞揭露巖溶洞穴的鉆孔兩側布置間距約2 m的注漿孔2孔，如圖6（b）所示。注漿孔應伸入巖溶洞穴底部以下至少0.5 m，填石孔應伸入溶洞穴頂部以下空洞內至少1 m。當終孔段部分遇性狀較差、規模較大的巖溶洞穴或裂縫密集發育帶等地質缺陷時，應加深鉆孔深度，進入其下部完整巖體內0.5 m。

3）對于巖溶洞穴高度為3～6 m的溶洞，以及巖溶洞穴高度大于6 m的特大型溶洞，應環繞其揭露鉆孔布置注漿孔，間距約2.0 m×2.0 m，呈三角形鉆孔3孔，如圖6（c）所示，注漿孔深度同該鉆孔；若注漿壓力始終達不到要求，可在外圍適當增加鉆孔以進一步確定溶洞大小，并進行注漿處理。

4）巖溶溶洞采用插入袖閥管注漿進行處理（圖7）。使用φ50 mm、壁厚4 mm的袖閥管進行注漿，耐壓值≥7.5 MPa，在巖溶溶洞段管壁上鉆φ8 mm@ 300 mm花眼，溶洞埋深高度范圍內全部打設花孔，確保溶洞全斷面范圍內進行注漿處理。使用純水泥漿對揭露出凈高≤1 m且無充填或半充填及所有全充填巖溶溶洞進行靜壓式灌漿；使用間歇式水泥漿對揭露凈高大于1 m且無充填或半充填溶洞進行靜壓灌漿，在20 min內完成注漿，間歇1 h后進行第2次注漿。若在20 min內不能滿足終孔標準，停止灌漿，間歇6 h后再進行第3次注漿，依次類推，直到達到終孔標準為止。

5）選用水泥漿作為注漿材料，使用P·O 42.5水泥，水灰比為0.5～1.0。水泥須具備進場合格證，由第三方檢驗合格后方可投入使用；嚴格按照配合比配制漿液，攪拌時間不得少于3 min，注漿過程中采用電子流量計來記錄和控制注漿量，巖溶處理的注漿量應確保充填空隙的體積比大于1.2。

6）注漿過程中采用電子壓力計來記錄和控制注漿壓力，在土巖接合面處控制注漿壓力為0.2 MPa，控制巖溶溶洞注漿壓力為0.2～0.5 MPa，吸漿速度不大于40 L/min。注漿效果應根據壓力-注漿量-時間曲線中注漿壓力和注漿量隨時間變化趨勢進行判定。實際灌漿壓力可根據生產性試驗適當調整，當注漿無法注入且注漿量達到設計值的90%以上，或注漿壓力超過設定值，并急劇增大時，可停止注漿。

3.5 注漿效果檢測

溶洞注漿處理漿液達到齡期后，應采用鉆孔取芯法為主，壓水試驗為輔的綜合方法進行注漿質量檢查。鉆孔取芯之后，對巖樣做抗壓試驗，經試驗得到注漿固結體28 d的無側限抗壓強度≥0.15 MPa。通過對巖溶溶洞加固處理后，經質量檢查，合格率達85%以上，注漿處理效果合格。

4 效益分析

采用此技術進行巖溶處理，所需的注漿量少，處理巖溶封閉效果好，可減少地鐵車站維護結構施工過程中因巖溶溶洞漏漿造成的混凝土超灌現象，減少了混凝土的損失。此外，還避免了施工過程中發生掉鉆和壞鉆的現象，避免了工期的延誤和經濟的損失。每注入1 m3水泥漿液可產生的直接經濟效益為31.3元。

5 結語

本技術可全面、準確地探測溶洞分布位置，確定溶洞大小。注漿工藝可控性強，能夠較好地填充溶洞空隙，處理效果好。施工方法簡單，操作簡便，施工速度快，成本較低。最終證明該工法能夠有效處理地鐵車站施工過程中遇到的巖溶溶洞探測及處理問題，產生較大的直接經濟效益并且避免造成混凝土超方超灌、鉆孔機械設備損壞、工程質量問題及施工工期的延誤。